多层复合基板结构及其制备方法与流程

本发明涉及半导体工艺和半导体封装技术领域，特别涉及一种多层复合基板结构及其制备方法。

背景技术：

目前很多器件功率越来越高，继续高效的散热管理，一种有效的方法是将半导体功能层与高导热基板集成，实现高器件可靠性，进而降低成本。

一种方法是将半导体功能薄层通过键合转移至高导热基板上，然后外延或开展器件制作，以实现可高效散热的器件，然而：

(1)高导热基板的直接光滑化后通常比较困难，成本较高。

(2)另外，键合过程中的表面活化步骤会给半导体功能薄层带来损伤，影响界面导热和导电性能。

综上所述，目前仍无非常完好的解决方法。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明系提供一种多层复合半导体基板结构及其制备方法，以解决现有技术实现困难的问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种多层复合半导体基板结构，该多层复合半导体基板结构包括一半导体功能薄层、一表面活化保护层、一中间接合过渡层、一表面光滑层和一高导热支撑基板层：其中该表面活化保护层形成于该半导体功能薄层表面，通过一中间接合面层与一高导热支撑基板层集成，该高导热支撑基板层表面有一表面光滑层，该中间接合过渡层形成于半导体功能薄层和高导热支撑基板层集成的键合工艺，位于表面活化保护层与表面光滑层之间；亦在半导体功能薄层上继续外延，又亦可对半导体功能薄层(含外延层)、表面活化保护层、中间接合过渡层和表面光滑层进行图形化刻蚀加工。

上述方案中，所述高导热支撑基板为下列材料的一种或多种叠层：硅，氧化铝，碳化硅(4h或6h)，氮化镓，氮化铝，铜钼合金，铜-金刚石复合材料，覆铜陶瓷基板，自支撑铜基板，砷化硼，金刚石，厚度为100～3000微米，晶型不限，可为单晶和多晶，晶片方向不限。

上述方案中，该表面光滑层的厚度范围为0.1纳米-5微米，为下列材料中的一种或多种叠层：钛、镍、金、铝、银、铂、铜、氧化钛、金刚石、硅、锗、氧化硅、氧化硅铝、氧化镁、氧化镓、氧化铍、氧化铝、氮化硅、氮化硼、氮化铝、碳化硅、氮铝氧化学物、氮碳化学物、氮碳氧化学物、砷化硼、氧化铜、氧化锌、氧化铪、氧化铒和氧化锆；晶型不限，可为非晶、单晶和多晶。

上述方案中，该中间接合过渡层为下列材料中的一种或多种组成：钛、镍、金、铝、银、铂、铜、氧化钛、金刚石、硅、锗、氧化硅、氧化镁、氧化镓、氧化铍、氧化铝、氧化硅铝、氮化硅、氮化硼、氮化铝、碳化硅、氮铝氧化学物、氮碳化学物、氮碳氧化学物、砷化硼、氧化锌、氧化铪、氧化铒和氧化锆，厚度范围为0.1纳米-1微米，晶型不限，可为非晶、单晶和多晶。

上述方案中，该表面活化保护层为下列材料中的一种或多种组成：钛、镍、金、铝、银、铂、铜、氧化钛、金刚石、砷化硼，、硅、锗、氧化铍、氧化铝、氧化硅铝、氮化硅、氮化硼、氮化铝、碳化硅、氮铝氧化学物、氧化锌、氧化铪、氧化铒和氧化锆，厚度范围为2-100纳米，晶型不限，可为非晶、单晶和多晶。

上述方案中，该半导体功能薄层为下列材料中的一种或多种组成：单晶碳化硅、单晶硅、单晶氮化镓、单晶氮化铝、单晶砷化硼、单晶氮化镓铝、单晶氧化镓铝、单晶氧化锌、单晶氧化镁、单晶氧化镓、单晶氮化硼、单晶石墨烯、单晶硫化钼和单晶金刚石，厚度范围为1纳米-100微米，晶型及晶片方向不限，掺杂类型不限。

根据本发明的另一个方面，提供了上述多层复合半导体基板的一种制备方法，

该方法包括：在高导热基板上沉积表面光滑层通过研磨等方法进行表面光滑化，在有支撑体(含母体)的半导体功能薄层表面沉积表面活化保护层，将半导体功能薄层通过键合和层转移方法通过一中间接合过渡层与有表面光滑层的高导热支撑基板键合，该中间接合过渡层形成于表面活化保护层与表面光滑层之间，该半导体功能薄层具有一上表面；通过研磨抛光等已公开方法使半导体功能薄层露出的表面光滑，使其适用于后续器件或外延工艺；

该方法亦包括：将半导体功能薄层通过临时键合和层转移方法将该半导体功能薄层先临时转移到一临时晶圆上，通过研磨抛光等已公开方法使半导体功能薄层露出的表面光滑，在光滑后的半导体功能薄层表面沉积表面活化保护层，而后通过键合和临时晶圆的解键合剥离将该半导体功能薄层转移至有表面光滑层的高导热支撑基板，一中间接合过渡层形成于表面活化保护层与表面光滑层之间；通过清洗抛光等已公开方法使半导体功能薄层露出的表面洁净光滑，使其适用于后续器件制作及外延工艺；

该方法亦包括：通过已公开的外延生长方法，在半导体功能薄层的初始层上进一步外延多层，此外延层可以包含形核层和缓冲层。亦可对半导体功能薄层及其外延层、表面活化保护层、中间接合过渡层和表面光滑层进行图形化刻蚀加工；刻蚀后的表面可以具有均匀分布立方体结构，亦可具有均匀分布的环形槽等结构，刻蚀深度不小于500纳米，刻蚀单位图形的宽度不小于500纳米；

该方法亦包括：高导热支撑基板的尺寸可以远大于半导体功能薄层；转移到高导热支撑基板之上的半导体功能薄层可以是多个小直径的晶圆尺寸的薄层；转移过程可以同时也可以是多次。

上述方案中，该支撑衬底为下列材料的一种或多种：所述高导热支撑基板为下列材料的一种或多种叠层：硅，氧化铝，碳化硅(4h或6h)，氮化镓，氮化铝，铜钼合金，铜-金刚石复合材料，覆铜陶瓷基板，自支撑铜基板，砷化硼，金刚石，厚度为100～3000微米，晶型不限，可为单晶和多晶，晶片方向不限。

上述方案中，该表面光滑层的厚度范围为0.1纳米-5微米，为下列材料中的一种或多种叠层：钛、镍、金、铝、银、铂、铜、氧化钛、金刚石、硅、锗、氧化硅、氧化硅铝、氧化镁、氧化镓、氧化铍、氧化铝、氮化硅、氮化硼、氮化铝、碳化硅、氮铝氧化学物、砷化硼、氮碳化学物、氮碳氧化学物、氧化铜、氧化锌、氧化铪、氧化铒和氧化锆；晶型不限，可为非晶、单晶和多晶。

上述方案中，该中间接合过渡层为下列材料中的一种或多种组成：钛、镍、金、铝、银、铂、铜、氧化钛、金刚石、硅、锗、氧化硅、氧化镁、氧化镓、氧化铍、氧化铝、氧化硅铝、氮化硅、氮化硼、氮化铝、碳化硅、氮铝氧化学物、氮碳化学物、氮碳氧化学物、砷化硼、氧化锌、氧化铪、氧化铒和氧化锆，厚度范围为0.1纳米-1微米，晶型不限，可为非晶、单晶和多晶。

上述方案中，该表面活化保护层为下列材料中的一种或多种组成：钛、镍、金、铝、银、铂、铜、氧化钛、金刚石、硅、锗、氧化铍、氧化铝、氧化硅铝、氮化硅、氮化硼、氮化铝、碳化硅、氮铝氧化学物、砷化硼、氧化锌、氧化铪、氧化铒和氧化锆，厚度范围为2-100纳米，晶型不限，可为非晶、单晶和多晶。

上述方案中，该半导体功能薄层为下列材料中的一种或多种组成：砷化硼、单晶碳化硅、单晶硅、单晶氮化镓、单晶氮化铝、单晶氮化镓铝、单晶氧化镓铝、单晶氧化锌、单晶氧化镁、单晶氧化镓、单晶氮化硼、单晶石墨烯、单晶硫化钼和单晶金刚石，厚度范围为1纳米-100微米，晶型及晶片方向不限，掺杂类型不限。

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的这种多层复合半导体基板结构及其制备方法，因为支撑衬底的光滑化易加工，可以降低成本；此外，可以通过公知的层转移方法重复利用，进而节约材料成本。

2、本发明提供的这种多层复合半导体基板结构及其制备方法，因为表面活化保护层可以进一步避免键合过程中带来的损伤，增强界面导热导电性能，进而实现器件性能的优化。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为依照本发明实施例的多层复合基板结构的一种结构示意图。

图2为依照本发明实施例的多层复合基板结构制作的一过程示意图。

图3为依照本发明实施例的多层复合基板结构制作的另一过程示意图。

【附图标记】

100––高导热支撑衬底；

101––表面光滑层；

102–––中间接合层

103––表面活化保护层；

104––半导体功能层

105––半导体功能层母体

106––临时支撑晶圆

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。具体实施例及附图仅用于更好理解本发明的内容而非限制本发明的保护范围。实施例附图的结构中各组成部分非按正常比例缩放，故不代表实施例中各结构的实际相对大小。

如图1所示，本发明提供的多层复合半导体基板结构包括：一半导体功能薄层104、一表面活化保护层103、一中间接合过渡层102、一表面光滑层101和一高导热支撑基板层100：其中该表面活化保护层103形成于该半导体功能薄层表面104，通过一中间接合面层102与一高导热支撑基板层100集成，该高导热支撑基板层表面有一表面光滑层101，该中间接合过渡层102形成于半导体功能薄层104和高导热支撑基板层100集成的键合工艺，位于表面活化保护层103与表面光滑层101之间；亦在半导体功能薄层104上继续外延，又亦可对半导体功能薄层104(含外延层)、表面活化保护层103、中间接合过渡层102和表面光滑层101进行图形化刻蚀加工。

高导热支撑基板层100主要用于器件的散热，可为下列材料中的一种或多种组成：硅，氧化铝，碳化硅(4h或6h)，氮化镓，氮化铝，铜钼合金，铜-金刚石复合材料，覆铜陶瓷基板，自支撑铜基板，砷化硼，金刚石，厚度为100～3000微米，晶型不限，可为单晶和多晶，晶片方向不限。

表面光滑层101主要用于辅助高导热支撑基板100的表面光滑化，为下列材料中的一种或多种组成：钛、镍、金、铝、银、铂、铜、氧化钛、金刚石、硅、锗、氧化硅、氧化镁、氧化镓、氧化铍、氧化铝、氮化硅、氮化硼、氮化铝、氧化硅铝、碳化硅、氮铝氧化学物、氮碳化学物、氮碳氧化学物、砷化硼、氧化铜、氧化锌、氧化铪、氧化铒和氧化锆；晶型不限，可为非晶、单晶和多晶；厚度范围为0.1纳米-5微米。

中间接合过渡层102为下列材料中的一种或多种组成：钛、镍、金、铝、银、铂、铜、氧化钛、金刚石、硅、锗、氧化硅、氧化镁、氧化镓、氧化铍、氧化铝、氧化硅铝、氮化硅、氮化硼、氮化铝、碳化硅、氮铝氧化学物、氮碳化学物、氮碳氧化学物、砷化硼、氧化锌、氧化铪、氧化铒和氧化锆，厚度范围为0.1纳米-1微米，晶型不限，可为非晶、单晶和多晶。

表面活化保护层103为下列材料的一种或多种：：钛、镍、金、铝、银、铂、铜、氧化钛、金刚石、砷化硼，、硅、锗、氧化铍、氧化铝、氧化硅铝、氮化硅、氮化硼、氮化铝、碳化硅、氮铝氧化学物、氧化锌、氧化铪、氧化铒和氧化锆，厚度范围为2-100纳米，晶型不限，可为非晶、单晶和多晶。

半导体功能薄层104为下列材料中的一种或多种组成：单晶碳化硅、单晶硅、单晶氮化镓、单晶氮化铝、单晶砷化硼、单晶氮化镓铝、单晶氧化镓铝、单晶氧化锌、单晶氧化镁、单晶氧化镓、单晶氮化硼、单晶石墨烯、单晶硫化钼和单晶金刚石，厚度范围为1纳米-100微米，晶型及晶片方向不限，掺杂类型不限。

在本发明一实施例中，在半导体功能层104形成后，可对表面活化保护层103和中间接合过渡层102两层或表面活化保护层103、中间接合过渡层102和表面光滑层101三层进行图形化加工。

在本发明的一实施例中，支撑衬底100为多晶碳化硅，表面光滑化层101为非晶碳化硅,中间接合过渡层102为氧化钛层，表面活化保护层103为氧化铝，半导体功能薄层104为单晶氧化镓；各层的厚度可根据实际需求在权利要求范围内进行调整，例如半导体功能薄层104和表面光滑化层厚度分别为0.5微米和100纳米，表面活化保护层103和中间接合过渡层102厚度分为5纳米和5纳米。支撑衬底100厚度为400微米，热导率为300w/mk，氧化镓晶向为(0001)。

在本发明的一实施例中，支撑衬底100为多晶金刚石，表面光滑化层101为氧化硅,中间接合过渡层102为氧化钛层，表面活化保护层103为氧化铝，半导体功能薄层104为单晶氧化镓；各层的厚度可根据实际需求在权利要求范围内进行调整，例如半导体功能薄层104和表面光滑化层厚度分别为0.5微米和100纳米，表面活化保护层103和中间接合过渡层102厚度分为5纳米和5纳米。支撑衬底100厚度为500微米，热导率为1200w/mk，氧化镓晶向为(0001)。

在本发明的一实施例中，支撑衬底100为多晶金刚石，表面光滑化层101为氧化硅,中间接合过渡层102为氧化钛层，表面活化保护层103为氧化铝，半导体功能薄层104为单晶氧化镓和单晶氧化镓铝复合层；各层的厚度可根据实际需求在权利要求范围内进行调整，例如氧化镓/氧化镓铝半导体功能薄层104厚度为0.5微米/0.1微米，表面光滑化层厚度为100纳米，表面活化保护层103和中间接合过渡层102厚度分为5纳米和5纳米。支撑衬底100厚度为500微米，热导率为1200w/mk，氧化镓晶向为(0001)。

基于上述本发明实施例提供的多层复合半导体基板结构，本发明实施例还提供了制备这种可拆解的多层复合半导体基板结构的两种方法。

方法一具体包括以下步骤：

步骤1：在半导体功能层母体表面形成一表面活化保护层

步骤2：通过键合方法将半导体功能层母体键合到有光滑表面层的高导热支撑衬底之上，在键合工艺中会形成一中间接合过渡层，具体键合是指低温直接或间接键合甚至室温下键合，比如通过表面活性化方法或等离子体活化方法等，

步骤3：通过已公开的转移方法包括离子注入分离、刻蚀和激光剥离等方法，将一半导体功能薄层转移至有光滑表面层的高导热支撑衬底之上；并对转移后露出的半导体功能薄层的表面进行研磨，使其适合器件制作或者外延；剩余的半导体功能层母体在进行研磨后可反复使用。

基于上述本发明实施例提供的制备该多层复合基板结构的方法，以下结合图1-3对制备工艺进行详细说明。

如图2所示，提供一半导体功能层母体105，材料选择为单晶氧化镓，通过公知的成膜方法如cvd，分子束生长法，原子层生长法等在半导体功能层母体第一表面1051上形成一氧化铝表面活化保护层103，而后将其通过键合转移方法和一有表面光滑层101的高导热支撑衬底100，表面光滑层101为氧化硅，高导热支撑衬底100为多晶金刚石，在键合工艺中形成一中间接合过渡层102，材料为氧化钛，而后通过公知的剥离方法实现转移如离子注入；而后对该转移的半导体功能薄层104第一表面1041进行研磨使其表面光滑化。

除直接转移外，还有另一种转移方式如图3所示，具体为有一临时支撑衬底晶圆106，在其上通过键合转移方法形成半导体功能薄层104，有第一上表面1041，在其第一表面1041上形成一表面活化保护层，然后与有一表面光滑层的支撑衬底上进行键合，然后去除临时支撑衬底106，将半导体功能薄层第二表面1042露出，表面处理后可用于器件制作或后续外延。具体临时支撑衬底106材料可以是硅，半导体薄膜层104的材料为高质量单晶氧化镓层，厚度为500纳米。

在本发明实施例中，键合方法可采用表面活性化键合方法或者原子扩散键合方法在超高真空里进行室温下键合。

在本发明实施例中，在半导体功能薄层104形成后，可对半导体功能薄层104和表面活化保护层103两层或半导体功能薄层104、表面活化保护层103和中间接合过渡层102三层进行图形化加工。

在本发明实施例中，单晶支撑基板的尺寸可以远大于单晶外延种子层；转移到单晶支撑基板之上的高品质单晶外延种子层可以是多个小尺寸的薄层，形状不限；转移过程可以同时也可以是多次。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。